A communication network for sensing by a self-adaptive team of aquatic drones

Abstract

The concept of Smart City begins to spread to marine scenarios due to the increasing need for water monitoring. These scenarios involve large generation of sensory data as well as some natural and artificial constraints. The use of Unmanned Surface Vehicle (USV) teams, more commonly called drones, has become increasingly common for these scenarios due to their availability and low cost. For monitoring to be feasible and in real time, it is necessary for the drones to be in constant communication so that they can organize themselves and send data to a land platform. This dissertation proposes the development and implementation of a heterogeneous team, to monitor aquaculture tanks, using WiFi delay-tolerant networks with an evaluation of the connections’ quality between each drone. This evaluation is used to control the team, preventing drones from leaving the network, and also maintaining a good quality network in order to increase the success of the transmission of information. This network may also send information by LoRa if a connection to land via WiFi is not possible. Thus, this dissertation proposes: (1) implementation and design of a USV; (2) connection with the other constituent elements of the network already developed in other projects; (3) new routing strategies based on link quality and on a transitive property for multi-hop routing; (4) the dynamic use of LoRa gateways in order to get the most out of air time; (5) a path planning algorithm to cover space as quickly and efficiently as possible, without losing communication with any node; and (6) a realistic aquatic environment simulator for navigation tests. The evaluations of the platform and its mechanisms allow us to conclude the impact of the various forwarding strategies as well as the performance of our link quality estimator. We also evaluate the navigation strategies of the team, where one can observe its performance.

O conceito de Smart City começa a estender-se aos cenários marítimos com o aumento da necessidade de monitorização de águas. Estes cenários envolvem grande produção de dados sensoriais, bem como alguns constrangimentos naturais e artificiais. A utilização de equipas de Unmanned Surface Vehicles (USVs), mais comummente chamados de drones aquáticos, tem vindo a tornar-se cada vez mais comum para estes cenários, devido à sua disponibilidade e baixo custo. Para a monitorização ser viável e em tempo real, é necessário os drones estarem em constante comunicação de modo a poderem organizar-se de forma autónoma e enviar os seus dados para uma plataforma em terra. Esta dissertação propõe o desenvolvimento e implementação de uma equipa de USVs heterogéneos para monitorização de tanques de aquacultura, utilizando redes WiFi tolerantes a atrasos com uma avaliação da qualidade das ligações entre cada drone. Esta avaliação é usada para o controlo da equipa, impedindo que os drones saiam do alcance da rede, e também para a manutenção da rede com uma boa qualidade de modo a aumentar o sucesso da transmissão de informação. Esta rede poderá também enviar a informação por LoRa, caso não se consiga manter uma ligação com terra por WiFi. Assim sendo, esta dissertação propõe: (1) implementação e desenho de um USV; (2) ligação com os restantes elementos constituintes da rede já desenvolvidos noutros projetos; (3) novas estratégias de encaminhamento baseadas em qualidade de ligação e numa propriedade transitiva, para encaminhamento a múltiplos saltos; (4) o uso dinâmico de gateways de LoRa de modo a tirar o maior proveito do tempo no ar; (5) um algoritmo de planeamento de caminhos de modo a cobrir o espaço o mais rápido e eficientemente possível, sem perder a comunicação com nenhum nó; e (6) um simulador de ambientes aquáticos realístico para testes de navegação. As avaliações da plataforma e dos seus mecanismos permitem concluir o impacto das várias estratégias de encaminhamento na rede, bem como o desempenho da estimativa da qualidade de ligação. São também avaliadas as estratégias de navegação da equipa, onde se pode perceber o desempenho da mesma.